[논문 리뷰] Incommensurate magnetic orders and topological Hall effect in the square-net centrosymmetric EuGa$_2$Al$_2$ system

Jaime M. Moya, Shiming Lei외 17명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 22.

Chemical and Physical Properties of Materials참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 중심대칭 정사각형 네트워크 화합물 EuGa₂Al₂에서 비동치 자성 질서와 자기장 유도된 위상적 홀 효과(THE)를 규명한다. 중성자 회절을 통해 평면 내 나선형(AFM1) 및 사이클로이드형(AFM3) 스핀 구조가 확인되었으며, c축 자기장 작용 하에서 새로운 비공면 상(A)이 나타나는데, 이는 THE가 최대화되는 조건이 되어, 외평면 전하 밀도파(CDW)에 의해 조절되는 위상적 스핀 구조의 자기장 조절 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Neutron diffraction on the centrosymmetric square-net magnet EuGa$_2$Al$_2$ reveals multiple incommensurate magnetic states (AFM1,2,3) in zero field. In applied field, a new magnetic phase (A) is identified from magnetization and transport measurements, bounded by two of the $μ_0H$~=~0 incommensurate magnetic phases (AFM1,helical and AFM3, cycloidal) with different moment orientations. Moreover, magneto-transport measurements indicate the presence of a topological Hall effect, with maximum values centered in the A phase. Together, these results render EuGa$_2$Al$_2$ a material with non-coplanar or topological spin texture in applied field. X-ray diffraction reveals an out-of-plane (OOP) charge density wave (CDW) below $T_{CDW} \sim$ 50 K while the magnetic propagation vector lies in plane below $T_N$ = 19.5 K. Together these data point to a new route to realizing in-plane non-collinear spin textures through an OOP CDW. In turn, these non-collinear spin textures may be unstable against the formation of topological spin textures in an applied field.

연구 동기 및 목표

• 영자기장 및 외부 자기장 작용 하에서 중심대칭 정사각형 네트워크 화합물 EuGa₂Al₂의 자성 상도를 규명하는 것.
• 외평면 전하 밀도파(CDW)가 복잡한 평면 내 자성 구조를 안정화시키는 역할을 조사하는 것.
• 예비 형성된 CDW와 자기장 하에서 비평행 및 비공면 스핀 구조가 나타나는 것 사이의 연관성을 규명하는 것.
• EuGa₂Al₂에서 관측된 위상적 홀 효과(THE)의 기원을 규명하고, 자성 상전이와의 상관관계를 분석하는 것.
• 유사구조 화합물(EuAl₄, EuGa₄)과의 비교를 통해 CDW가 위상적 스핀 구조 형성에 기여하는 역할을 분리하여 규명하는 것.

제안 방법

• 영자기장 하에서 비공명 자성 상(AFM1, AFM3)의 자성 구조 및 전파 벡터를 규명하기 위해 중성자 회절을 수행하였다.
• c축 자기장 작용 하에서 자성 상도를 규명하고 THE를 정량화하기 위해 자화도 및 자화전도 측정을 수행하였다.
• 외평면(OOP) 전하 밀도파(CDW)의 존재 및 온도 변화를 검출하기 위해 X선 회절(XRD)을 수행하였다. TCDW ≈ 50 K 이하에서 CDW가 관측되었다.
• OOP CDW에 의한 피에르미 표면 재구성 분석을 통해 비평행 평면 스핀 구조 형성의 기여 요인을 설명하였다.
• 유사구조 화합물 EuAl₄ 및 EuGa₄와의 비교 연구를 통해 CDW가 복잡한 자성을 가능하게 하는 역할을 분리 분석하였다.
• 단결정 산산산란 X선 회절 및 전자 프로브 미세분석(EPMA)을 통해 구조적 및 조성적 정합성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EuGa₂Al₂에서 영자기장 및 외부 자기장 작용 하에서 안정화되는 자성 상은 무엇이며, 자기장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 외평면 전하 밀도파(CDW)의 존재가 EuGa₂Al₂에서 평면 내 비평행 스핀 구조 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자기장 유도 상 A에서 관측된 위상적 홀 효과(THE)의 기원은 무엇이며, 스핀 구조의 위상성과는 어떤 관련이 있는가?
• RQ4 유사구조 화합물인 EuAl₄ 및 EuGa₄는 왜 다른 자성 및 전도 특성을 나타내며, 이는 CDW의 역할을 어떻게 드러내는가?
• RQ5 외평면 CDW와 평면 내 자성 질서의 상호작용이 자기장 하에서 스카이머미와 같은 위상적 스핀 구조를 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 영자기장 하에서 비공명 반자성 상(AFM1, AFM2, AFM3) 세 개가 확인되었으며, AFM1은 나선형 스핀 구조, AFM3는 사이클로이드형 스트럭처를 보이며, 둘 다 a* 방향으로 전파된다.
• c축 자기장 작용 하에서 AFM3와 AFM1 사이에 새로운 자기장 유도 상(A)이 나타나며, 이는 비공면 스핀 구조를 특징으로 한다.
• 위상적 홀 효과(THE)는 상 A에서 최대화되며, 중간 자기장 영역에서 피크 값이 관측되어, 측정된 스핀 구조의 비대칭성(키랄리티)을 시사한다.
• TCDW ≈ 50 K 이하에서 c* 방향으로 전파되는 외평면(OOP) 전하 밀도파(CDW)가 확인되었으며, 이는 자성 질서 상태로도 유지된다.
• OOP CDW는 피에르미 표면을 재구성하여 차원성을 감소시키고, 자화율을 증가시켜 평면 내 비평행 자성 구조 형성에 기여한다.
• EuAl₄ 및 EuGa₄와의 비교 분석을 통해 EuGa₄에서 CDW가 존재하지 않아 단순한 공명 반자성 기저 상태를 나타내는 것으로 확인되었으며, 이는 CDW가 복잡한 자성을 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 함을 확인한다.